矿用移动救生舱锂电池管理系统的研究与设计

发布时间：2017-09-02 07:09

  本文关键词：矿用移动救生舱锂电池管理系统的研究与设计

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【摘要】：我国是煤炭资源大国,随着近些年来煤炭产量和产能的不断扩大,煤矿安全事故也频繁发生,煤矿安全事故不仅会造成一定的经济损失,更是严重威胁着煤矿工人的生命安全。当煤矿安全事故发生时,矿用移动救生舱可以为煤矿工人提供避难场所和与外界联系,从而等待营救。为了保证救生舱的正常运行,锂离子电池以其高能量密度、大倍率性能、自放电率低、环保无污染等优点成为后备电源电池的首选。为了使锂离子电池组作为矿用移动救生舱后备电源可以长期安全有效地运行,必须设计一套适合矿用移动救生舱的锂电池管理系统。本文设计了一套针对矿用移动救生舱的锂电池管理系统,该系统以ML5238为前端信号采集芯片,ML610Q488为电池控制芯片,相较于传统的电压采集电路,该系统硬件电路得以简化,大大减少了电路板的面积,同时采样的精度和速度都大大提高。论文详细给出了锂电池管理系统的电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路等硬件电路的设计。针对串联电池组的不一致性,为系统加入了被动均衡的硬件电路,并且通过软件控制的策略提高了电池均衡的速度和精度。论文在深入研究并比较了几种经典剩余电量估算算法后,给出了一种基于开路电压法和电荷累计法的改进剩余电量估算算法,该算法加入了电池容量修正、放电效率修正和SOC0修正,大大提高了剩余电量估算的精度。论文详细给出了各软件模块的流程图和设计思路,作者利用单片机C语言编程实现了系统的过充/过放保护、过流保护、过温保护等告警保护功能和剩余电量估算的功能。并且为系统增加了低功耗运行的功能(包括省电状态和掉电状态),有效提高了电池组的工作时间。系统设计了友好的上位机界面,用户不仅可以通过上位机详细了解电池组的工作状态,还可以通过上位机修改各种保护阈值参数来满足不同工作环境。最后通过大量实验证明该系统在电压采集、电流采集、温度采集方面具有良好的测量精度,在剩余电量估算和电池均衡方面也有良好的估算精度和均衡效率,完全达到了矿用移动救生舱锂电池管理系统的设计要求。
【关键词】：矿用移动救生舱 锂离子电池管理系统 电池均衡 剩余电量估算
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD774;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 矿用移动救生舱及锂电池管理系统国内外研究现状12-13
• 1.2.1 矿用移动救生舱国外研究现状12
• 1.2.2 矿用移动救生舱国内研究现状12
• 1.2.3 锂电池管理系统国外研究现状12-13
• 1.2.4 锂电池管理系统国内研究现状13
• 1.3 论文的主要工作13-14
• 1.4 论文结构安排14-16
• 第二章 锂电池关键特性和锂电池管理系统的介绍16-28
• 2.1 锂离子电池的选用16-18
• 2.1.1 磷酸铁锂电池的优势16-17
• 2.1.2 磷酸铁锂电池工作原理17-18
• 2.2 锂离子电池主要参数18-21
• 2.2.1 电动势18
• 2.2.2 电压18-19
• 2.2.3 电池内阻19
• 2.2.4 电池容量19-20
• 2.2.5 充放电倍率20
• 2.2.6 库伦效率20
• 2.2.7 自放电20
• 2.2.8 电池寿命20-21
• 2.2.9 电池安全性21
• 2.3 锂离子电池性能测试21-24
• 2.3.1 充电性能测试21-22
• 2.3.2 放电性能测试22
• 2.3.3 电池容量测试22-23
• 2.3.4 高低温性能测试23
• 2.3.5 能量和比能量测试23-24
• 2.3.6 储存性能及自放电测试24
• 2.4 锂电池管理系统主要功能介绍24-27
• 2.4.1 电池状态监测25
• 2.4.2 电池状态分析25
• 2.4.3 电池安全保护25-26
• 2.4.4 能量控制管理26-27
• 2.4.5 电池信息管理27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 锂电池管理系统硬件电路设计28-42
• 3.1 系统硬件总体设计28-30
• 3.2 电压采集电路设计30-31
• 3.3 电流采集电路设计31-32
• 3.4 温度采集电路设计32-34
• 3.4.1 常用的温度测量方式32-33
• 3.4.2 监测数量与监测位置33
• 3.4.3 温度采集原理图33-34
• 3.5 电池均衡电路设计34-39
• 3.5.1 电池不一致的原因34-35
• 3.5.2 电池均衡的意义35-37
• 3.5.3 电池均衡常用方法37-38
• 3.5.4 电池均衡原理图38-39
• 3.6 复位电路设计39
• 3.7 EEPROM电路设计39-40
• 3.8 充放电控制电路设计40
• 3.9 LED驱动电路设计40-41
• 3.10 本章小结41-42
• 第四章 电池剩余电量算法研究42-51
• 4.1 剩余电量算法的意义42-43
• 4.2 常用的电池剩余电量估算算法43-46
• 4.2.1 电荷累计法43-44
• 4.2.2 开路电压法44-45
• 4.2.3 内阻测量法45
• 4.2.4 神经网络法45-46
• 4.2.5 卡尔曼滤波法46
• 4.3 本系统使用的SOC算法46-50
• 4.3.1 温度对电池容量的修正46-47
• 4.3.2 劣化对电池容量的修正47-48
• 4.3.3 温度对放电效率的修正48
• 4.3.4 电池静置时间对SOC0的修正48-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 锂电池管理系统软件设计51-63
• 5.1 初始化模块52-53
• 5.2 电压、电流监测模块53-57
• 5.2.1 电压输出寄存器VMON、电流输出寄存器IMON53-54
• 5.2.2 GIM放大倍数校正54-55
• 5.2.3 电压、电流监测流程图55-57
• 5.3 过温监测模块57-58
• 5.4 省电状态模块58-60
• 5.5 掉电状态模块60-61
• 5.6 电池平衡模块61-62
• 5.7 本章小结62-63
• 第六章 锂电池管理系统测试63-69
• 6.1 测试环境63-64
• 6.2 测试内容和结果64-68
• 6.2.1 上位机软件64-65
• 6.2.2 电压、电流、温度采集精度测试65-66
• 6.2.3 电池均衡测试66-67
• 6.2.4 故障状态测试67-68
• 6.3 本章总结68-69
• 第七章 总结与展望69-71
• 7.1 全文总结69
• 7.2 展望69-71
• 参考文献71-74
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文74-75
• 致谢75

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